KR20090125034A - 난방 시스템 - Google Patents

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KR20090125034A
KR20090125034A KR1020097012210A KR20097012210A KR20090125034A KR 20090125034 A KR20090125034 A KR 20090125034A KR 1020097012210 A KR1020097012210 A KR 1020097012210A KR 20097012210 A KR20097012210 A KR 20097012210A KR 20090125034 A KR20090125034 A KR 20090125034A
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KR
South Korea
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valve
burner
burners
fluid
heating
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KR1020097012210A
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English (en)
Inventor
데이비드 안토니 클락
앨런 맥카시위퍼
Original Assignee
마이크로젠 엔진 코포레이션 홀딩 비 브이
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Publication date
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Abstract

본 발명에 따르면, 유체를 가열하기 위해 버너(1,2)에 의해 각각 직접 가열되는 2개의 별개의 열교환기(7,8)와, 상기 2개의 버너들이 배기가스를 배출하도록 배열된 공통송관(9)과, 상기 2개 버너들로 공기를 공급하도록 배열된 공통팬(3)과, 각 버너에 대한 가스 공급장치를 구비한 유체를 가열하기 위한 난방 시스템이 제공된다. 분할밸브(4)는 상기 팬으로부터의 공기를 상기 2개 버너로 분할한다. 컨트롤러는 시스템의 열출력 요구에 따라 상기 팬(3)의 속도, 상기 분할밸브(4)의 위치 및 가스 공급장치를 제어한다.
Figure P1020097012210
난방 시스템, 분할밸브, 열교환기

Description

난방 시스템{A Heating System}
본 발명은 난방 시스템에 관한 것이다.
가정용 시장에(즉, 중앙난방 및 온수 요구를 제공하기 위해) 이용되는 난방 시스템에는 대량 생산되는 열교환기들이 있다. 이는 상당한 경제적 규모에 이른다. 인접한 시장(소형의 상업적 및 다수의 투숙용 주거건물)용의 더 큰 열교환기들은 이 시장이 상당하지만 그만큼 크지 않거나 같은 경제적 규모로 발생하지 않기 때문에 상당히 더 높은 가격으로 팔려는 경향이 있다.
따라서, 이 인접한 시장의 보일러들은 상당히 더 비싼 가격에 팔려고 하는 경향이 있다. 이런 이유들 중 하나는 단순히 곧바로 다수의 가정용 보일러들을 단일 연료 및 단일 가스/공기 공급장치로 편성할 수 없기 때문이다. 2개 보일러를 나란히 바로 "인접하게 장착하는 것"은 기본적으로 단일 장착의 모든 구성요소들의 복제를 수반한다.
한 쌍의 종래 버너들을 단일 공통송관(flue)에 연결시킬 수 있다. 단 하나의 버너와 열 교환기가 작동되는 경우, 공통송관내 배기가스의 압력으로 인해 다른 열교환기를 통해 역류가 발생하는 경향이 있으며 이는 허용될 수 없다. 따라서, 밸브(예컨대, 온-오프 플래퍼 밸브(flapper valve)가 이러한 역류를 방지하기 위해 각 열교환기의 배기기류에 배치될 수 있다. 작동중인 버너에 대응하는 플래퍼 밸브는 작동하지 않는 버너의 플래퍼 밸브가 닫혀있는 동안 개방된다. 이러한 버너들은 단일 버너 또는 양 버너를 함께 동작 가능하게 하지만, 두 팬들 사이에 같지 않는 배압(back pressure)과 경합이 있을 수 있기 때문에 모두가 작동중인 경우 어느 한 버너를 조정하는 것은 비현실적이다.
본 발명에 따르면, 유체를 가열하기 위한 난방 시스템으로서, 상기 유체를 가열하기 위해 버너에 의해 각각 직접 가열되는 2개의 별개의 열교환기와, 상기 2개의 버너들이 배기가스를 배출하도록 배열된 공통송관과, 상기 2개의 버너에 공기를 공급하도록 배열된 공통팬과, 각 버너로의 가스 공급장치와, 상기 팬에서 나온 기류를 상기 2개 버너로 분할하기 위한 분할밸브와, 상기 시스템의 열출력 요구에 따라 상기 팬의 속도, 상기 분할밸브의 위치 및 상기 가스 공급장치를 제어하기 위한 컨트롤러를 구비하는 난방 시스템이 제공된다.
기류를 분할하기 위해 분할밸브를 사용함으로써, 상기 버너로의 기류가 효과적으로 분리되어 상기 버너들이 다소 별개로 동작하게 할 수 있다. 그러나, 공통송관으로부터의 배압을 통해 상기 2개 버너들 간에 어떤 상호작용이 있게 된다. 하지만, 이는 컨트롤러에 의해 보상될 수 있다. 효과적으로, 상기 컨트롤러는 팬 속도와 분할밸브 위치의 어떤 소정의 조합으로 역류를 보상하도록 프로그램된다.
분할밸브는 많은 불연속 흐름 수준을 제공하기 위해 많은 불연속 위치들을 통해 이동될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 상기 분할밸브는 위치범위들에 걸쳐 연속적으로 변할 수 있다. 이는 기류의 분할 이상의 더 큰 제어를 제공한다.
바람직하기로, 상기 분할밸브는 밸브요소의 위치와 2개 기류로 바뀌어진 유체비율 간에 실질적으로 선형관계가 있는 타입이다. 이러한 밸브는 본 출원인의 이전 출원인 WO 2004/081362에 기술되어 있다. 이는 밸브의 이동범위에 걸쳐 더 강한 흐름 제어가 제공되는 이점을 제공한다.
가스 공급장치를 제어하는 컨트롤러는 예컨대 가스라인내 전용밸브를 이용해 직접적으로 할 수 있거나, 예컨대 가스의 제어된 량을 벤투리로 끌어내기 위해 팬 속도를 이용하여 간접적으로 할 수 있다. 두번째 경우, 가스 공급장치를 차단시키기 위해 각 가스 공급장치에 밸브가 여전히 필요로 할 수 있다.
상기 밸브는 본 출원인의 이전 출원인 WO 2004/081362에 기술된 것과 같은 가변 베인(Movable Vane)일 수 있다. 대안으로, 유입구와, 각 버너에 대한 2개의 유출구와, 각 기류에 대하여 하나씩 2개의 제 1 유출구 오리피스를 갖는 외부 슬리브와, 상기 외부 슬리브내에 이동식으로 보유되고 하나의 유입구와 각 기류에 대하여 하나씩 2개의 제 2 유출구 오리피스를 갖는 내부요소를 구비할 수 있고, 각 유출구로 공급된 유입구 기류의 상대 비율은 내부요소와 외부 슬리브의 상대위치에 의해 결정된다. 이러한 배열은 최대 위치에서 직접적으로 흐름방향에 반대로 작동하지 않기 때문에 회전식 베인보다 더 강건하다. 또한, 상술한 바와 같이 이는 밸브 위치와 흐름 간에 선형관계를 제공할 수 있도록 하는데 특히 적합하다. 이러한 타입의 밸브는 WO 2004/085893에 기술되어 있다. 박편판, 램프 표면, 테이퍼진 유출구 오리피스, 유출홀(bleed hole), 및 환형씰을 포함한 이런 타입의 향상된 밸브가 WO 2006/035238에 기술되어 있고 또한 사용하기에 적합할 수 있다.
가스 공급장치는 분할밸브의 상류에 도입될 수 있다. 이러한 장치는 비교적 적은 구성요소들을 필요로 하나, 분할밸브의 위치를 변경시키는 것과는 달리 가스 공급장치의 별도 제어를 허용하지는 않는다. 따라서, 바람직하기로, 분할밸브의 하류에 있는 각 버너에 가스가 공급된다. 이는 각 버너에 공급된 가스의 다른 제어정도를 허용한다.
상기 원리는 버너에 의해 각각 가열되는 2이상의 열교환기에 적용될 수 있다. 이 경우, 상기 흐름을 WO 2004/085893에 개시된 바와 같은 2이상의 기류로 분할할 수 있는 단일 분할밸브가 있을 수 있다. 대안으로, 직렬 연결된 2 이상의 밸브가 있을 수 있으며, 각 밸브는 상기 기류를 2개의 기류로 분할할 수 있다.
본 발명에 따른 난방 시스템의 일예가 첨부도면을 참조로 기술되어 있다.
도 1은 난방 시스템의 개략도이다.
도 2는 분할밸브의 외부 슬리브의 사시도이다.
도 3은 분할밸브의 내부 슬리브의 유사한 사시도이다.
도 4는 도 1의 시스템에 사용하는데 적합한 밸브에 대한 내부 슬리브의 출력 프로파일의 도면이다.
난방 시스템은 제 1 버너(1)와 제 2 버너(2)를 구비한다. 단일 팬(3)으로부터 버너로 공기가 공급된다. 이 기류는 (하기에 더 상세히 기술되는) 분할밸브(4) 에서 분할된다. 연소가스가 각각의 밸브(5A)의 제어하에 가스 벤투리(5)에서 상기 각각의 기류에 추가된다. 대안으로, 연소가스는 분할밸브(4) 상류의 단일 가스 벤투리를 통해 추가될 수 있다.
버너(1,2)의 요구에 대한 정보가 컨트롤 라인(6)을 따라 팬(3), 분할밸브(4), 및 가스 컨트롤 밸브(5)로 전해진다. 팬(3)의 속도, 분할밸브(4)의 위치 및 밸브(5A)의 동작이 이에 따라 제어되어 버너(1,2)의 요구가 별개로 만족될 수 있다. 버너(1,2) 각각은 직렬 또는 병렬 배열될 수 있는 각각의 열교환기(7,8)로 열을 제공한다. 열교환기는 버너(1,2)로부터 열을 수용하는 수용유체를 실어 나른다. 2개 버너(1,2)로부터의 배기가스가 공통송관(9)에 결합된다.
분할밸브는 도 2 및 도 3을 참조로 더 상세히 기술되어 있다. 도 2는 외부 슬리브(20)를 도시한 한편, 도 3은 사용시 외부 슬리브(20)내에 회전가능하게 수용된 내부 슬리브(30)를 도시한 것이다. 외부 슬리브(20)는 팬(3)과 통하는 유입구 포트를 제공하는 나사산 연결부(21)가 있다. 제 1 유출구(24) 및 제 2 유출구(25)에 대응하는 2개의 유사한 나사산 포트(22 및 23)는 상기 2개의 버너(1,2)에 이르는 덕트들에 연결을 제공한다. 2개 유출구(24,25)는 슬리브를 따라 축방향으로 이격되어 있고 상기 유출구들은 둘레로 오프셋될 수 있으나 상기 슬리브의 동일면 상에 모두 있다. 각 유출구는 상기 외부 슬리브(20)의 벽에 있는 개구를 통해 축방향으로 뻗어 있는 기다란 직사각형인 제 1 외부 오리피스(26,27)를 갖는다.
이들 제 1 외부 오리피스(26,27)는 명확히 하기 위해 도 3에 점선으로 도시되어 있다.
도 3에서, 내부 슬리브(30)가 도시되어 있다. 상기 슬리브는 중공이며 팬(3)으로부터 공기를 받아들이기 위해 유입구 포트(21)에 대응하는 단부에 유입구(31)가 있다. 제 2 유출구 오리피스(32,33)는 기다라며 상기 외부 슬리브(30)의 벽에 있는 오리피스에 통하는 일반적으로 삼각형이 되게 개략적으로 도시되어 있다. 제 1 및 제 2 외부 오리피스(32,33)의 자세한 내용이 도 4에 도시되어 있다. 가스씰(미도시)은 제 2 유출구 오리피스 사이의 내부 슬리브(30)의 외벽에 있는 환형 그루브(34)에 형성되어 있다. 이는 한 유출구에서 외부 유출구(20)와 내부 슬리브(30)간의 다른 유출구로의 흐름을 방지한다.
내부 슬리브(30)는 유입구(31)에 반대편 단부로부터 축방향으로 뻗어 있는 스핀들(35)이 있다. 이는 상기 내부 슬리브(30)가 축(36)에 대해 회전되게 하는 모터(미도시)에 연결되어 있다. 대안으로, 내부 슬리브의 회전은 외부 슬리브(30)내에 포함된 솔레노이드/전자석에 의해 발생될 수 있다. 솔레노이드/전자석 옵션은 밸브가 자체 포함되게 할 수 있고 이에 따라 분할밸브(4)가 가스 출입지점의 하류에 사용되게 할 수 있는 연료/공기 혼합물과 함께 사용하기에 적합할 수 있다.
밸브의 동작은 특정한 상부 유출구(24)에 대하여 기술될 것이다. 내부 슬리브가 화살표 X 방향으로 축(36) 주위로 회전함에 따라, 제 2 오리피스(32)는 상기 제 1 오리피스(26)와 점점 더 크게 점차적으로 중첩된다. 내부 슬리브(3)의 회전위치와 중첩 면적간에 비선형 관계가 있어 제 1 및 제 2 오리피스 사이의 최초 상호작용동안 중첩면적은 (제 2 오리피스가 제 1 오리피스의 형태와 유사한 직사각형 형태를 갖는 경우에 비해) 비교적 작은 것을 알게 된다.
정확한 관계는 내부 슬리브(30)의 회전 위치와 유출구 흐름 간에 가능한 한 가까운 선형관계가 있음을 보장하기 위해 함수적으로 결정된다.
오리피스의 크기와 양 기류의 흐름 분포간의 관계에 대한 보다 상세한 논의는 본 출원인의 국제출원 WO 2004/081362에 제시되어 있다.
슬리브(30)가 X방향으로 회전함에 따라, 흐름의 더 큰 비율이 제 1 유출구(24)로 지향되는 반면 반대인 Y방향으로의 이동은 더 많은 흐름들이 제 2 유출구(25)로 전환되게 하는 것이 도 3에서 명백하다.
직사각형 오리피스가 내부 슬리브상에 형성되고 비직사각형 오리피스가 외부 슬리브상에 형성되도록, 제 1 및 제 2 오리피스는 바꾸어질 수 있다. 대안으로, 양 오리피스에 비직사각형 모양이 형성될 수 있다.
분할밸브(4)에 의해 제공된 정확한 컨트롤은 각 버너의 고도의 조절과 이에 따라 시스템의 효율의 상당한 손실없이 완전한 적용의 높은 "턴-다운(trun-down)"비를 가능하게 한다. 이들 결과는 시스템이 저렴하게 생산될 수 있도록 대량 생산된 열교환기 구성부품들을 이용하면서도 달성될 수 있다. 또한, 버너들(1,2)이 단지 하나의 버너만이 필요한 경우 연이은 경우에 번갈아 점화하도록 배열될 수 있기 때문에, 시스템의 수명이 증가될 수 있다.
시스템의 동작은 도 4를 참조로 기술되어 있다.
단일 기기로서 고려된 (예시를 위해 36kW로 각각 평가된) 2개의 열교환기를 이용한 시스템은 다음과 같이 동작할 수 있다:
1) 요구가 큰 기간(예컨대, 차가운 상태에의 큰 중앙 난방시스템을 가열시키 기):
팬(3)이 고속으로 설정될 수 있고, 분할밸브(4)는 유출구 포트 모두를 완전히 개방할 수 있다. 도 4에 도시된 밸브 구성으로, 상기 밸브는 180°위치로 설정될 수 있다. 양 버너(1,2)는 최대 속도로 운영될 수 있고, 전체 기기는 (최대) 열출력 - 이 예에서는 72kW- 를 제공할 수 있다.
2) 단일 열교환기의 정격 이상인 중간이지만 일정한 요구, 즉, 최대 정격의 60% 또는 43.2kW의 기간
a. 팬(3)은 최대 흐름의 60%로 설정될 수 있고, 분할밸브(4)는 50:50 비율로(예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이 180°방향으로) 설정될 수 있다. 주목할 것은 이 동작모드에서, 양 버너는 60% 효율로 작동한다는 것이다.
b. 대안으로, 동일한 팬 설정으로, 분할밸브(4)는 출력(1)이 완전히 개방되고 출력(2)이 약 20% 개방되도록 위치될 수 있다(이는 도 4에서 약 100°의 방향에 해당한다). 이 경우, 버너(1)는 최대 정격(36kW)으로 작동하고, 버너(2)는 정격의 20%(즉, 7.2kW)로 작동한다.
이들 제 1 또는 제 2 조건하에서 동작할 지 여부에 대한 판단은 버너의 효율특징에 따른다. 열교환기들이 있는 버너들은 일반적으로 낮은 작동조건에서 효율이 다소 떨어지게 잘 규정된다. 하나의 버너를 완전히 동작시키고 다른 하나는 상당히 낮은 수준으로 동작시키거나, 둘 다 부분적으로 낮은 수준으로 동작시키는 것이 더 효율적인지 여부는 각 버너의 세부사항에 따른다. 그러나, 시스템은 완전한 제어와 양 버너들 간에 선택을 가능하게 한다.
3) 단지 단일 열교환기의 정격을 간신히 넘는 가까운 중간이지만 일정한 요구, 즉, 최대 정격의 55%의 기간.
이 경우, 정격 값의 10%로 한 버너를 다운시키게 조절할 수 없다. 그러나, 시스템은 각각 55%로 작동해 수요의 공유를 가능하게 하는 것이 상기 경우로부터 명백하다.
4) 단속적인 중간 요구(예컨대, 여름동안 가정내 온수 공급의 온도로 돌아가기)의 기간.
이 경우, 단 하나의 버너만이 한번 점화될 필요가 있다. 각 버너/열교환기에 대한 부하를 "공유"하기 위해, 버너들은 수요가 돌아오면 상기 2개 버너들간에 매번 바꿔어가며 연이어 점화된다. 따라서, (도 2에 따라 구성된 경우) 밸브는 85°및 265°로 번갈아 설정되어 진다.
5) 배경의 중간수준 요구를 갖는 단속적인 높은 수요의 주기.
이전 경우와 유사하게, 버너들은 번갈아 교환된다(따라서, 밸브는 90°, 270° 및 180°위치들 사이의 싸이클을 설정한다).
본 발명의 상세한 내용에 포함됨.

Claims (6)

  1. 유체를 가열하기 위해 버너에 의해 각각 직접 가열되는 2개의 별개의 열교환기와,
    상기 2개의 버너들이 배기가스를 배출하도록 배열된 공통송관과,
    상기 2개 버너들로 공기를 공급하도록 배열된 공통팬과,
    각 버너에 대한 가스 공급장치와,
    상기 팬으로부터의 공기를 상기 2개 버너로 분할하기 위한 분할밸브와,
    시스템의 열출력 요구에 따라 상기 팬의 속도, 상기 분할밸브의 위치 및 가스 공급장치를 제어하기 위한 컨트롤러를 구비하는 유체를 가열하기 위한 난방 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분할밸브는 위치 범위에 걸쳐 연이어 변할 수 있는 유체를 가열하기 위한 난방 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 분할밸브의 밸브요소의 위치와 2개 기류로 전환된 유체의 비율 간에 실질적으로 선형관계가 있는 유체를 가열하기 위한 난방 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분할밸브는 유입구와, 각 버너에 대해 하나씩 2개 유출구와, 각 기류에 대해 하나씩 2개의 제 1 유출구 오리피스를 갖는 외부 슬리브와, 상기 외부 슬리브내에 이동식으로 보유되고, 유입구가 있으며, 각 기류에 대해 하나씩 2개의 제 2 유출구 오리피스를 갖는 내부요소를 구비하며, 각 유출구에 공급된 유입 기류의 상대 비율은 내부 요소와 외부 슬리브의 상대 위치에 의해 결정되는 유체를 가열하기 위한 난방 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스가 분할밸브의 하류에 있는 각 버너에 공급되는 유체를 가열하기 위한 난방 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    버너에 의해 각각 가열되는 2이상의 별개의 열교환기를 구비하는 유체를 가열하기 위한 난방 시스템.
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